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양자정보통신기술에 국가안보 미래 달렸다
등록날짜 [ 2019년06월17일 12시39분 ]
 
 



[더코리아뉴스]
고대승 기자 = 양자정보통신은 양자의 물리학적 특성을 ICT에 적용하여 데이터의 ▲초고속처리 ▲정밀수집 ▲안전전송이 가능한 차세대 기술로, 5G 시대 신산업/신성장 동력이자 핵심 ICT 기술로 평가되고 있다.

양자정보통신기술은 전략기술로 평가되기 때문에 국가별로 대규모 연구개발이 진행되고 있으며, 국가간 기술격차가 크고 아웃소싱이 불가능할 것으로 예상되고 있다.

글로벌 ICT 선진국들은 양자정보통신기술을 국가적 차원에서 육성하고 있음. 유럽-미국-일본-중국 등 주요국은 10년전부터 중장기적 관점에서 양자정보통신 관련 정책을 수립하고 대규모 예산을 투입하고 있는 상황. 정부 뿐 아니라 AT&T, NTT도코모, 도이치텔레콤, IBM, 구글, MS 등 글로벌 대기업들의 R&D 투자가 크게 증가하면서 주도권 확보 경쟁이 치열하게 펼쳐지고 있다.

<해외 주요국 양자정보통신 지원정책 현황>

Market Research Media에 따르면, 국내 양자정보통신 시장은 2025년 약 1조 4,000억 원, 글로벌 시장 규모는 약 26조 9,000억원에 달할 전망이다.


■ 국내 양자기술 지원 제자리걸음 … 심도 깊은 논의 필요

양자관련 기술은 해외기술 도입이 불가능해 국내 자체 기술개발이 필수적으로, 정부가 이에 대한 구체적인 로드맵을 제시해야 한다는 요구가 높아지고 있다.

국내에서는 양자정보통신 중장기 추진전략(‘14.12월, 미래창조과학부)을 수립해 국가 차원의 양자정보 통신 분야 기술개발, 인력양성 및 기반 조성 필요성을 강조함. 2016년 하반기부터는 ’양자정보통신 중장기 기술개발‘ 사업의 신규 기획 통한 투자 확대 추진했으나 예비타당성조사 미시행(’18.5월)되어 현재 답보 상태이다.

민간에서는 SK텔레콤, KT, LGU+ 등 이동통신사들이 양자암호 기술개발 경쟁에 뛰어들었으며, 삼성도 IBM과 양자컴퓨터 연구에 협력을 진행하고 있다.

양자정보통신기술 관련 정부의 투자 및 지원법 체제는 글로벌 대비 열악한 실정임. 우리나라는 과기정통부 주도로 양자기술 선도를 위한 대규모 국책연구과제를 준비했지만 '시기상조'라는 학계 반대에 부딪혀 무산됨. 그나마 양자컴퓨팅 기술개발에 60억, 양사센터 핵심원천기술개발에 46억원을 편성했으나 금액은 터무니 없이 부족한 상황으로 양자암호통신은 예산조차 반영되지 못하고 있다.

또한, 2016년 발행된 Quantum Europe에 따르면 세계 주요국의 양자 정보통신 분야 지원순위에서 우리나라는 거의 최하위권인 17위를 기록하기도 하는 등 국가적인 지원책은 미흡한 것으로 나타나기도 했다.

1. 양자(Quantum) ICT 산업

다양한 ICT 분야에서 기존 기술의 한계를 뛰어 넘기 위해 양자를 활용하고 있는데, 양자 ICT 3대 산업은 양자암호통신, 양자센서, 양자컴퓨터임로 분야하고 있다.

양자암호통신은 ▲송신부와 수신부에서 도청 불가능한 암호키를 동시에 생성하는 ‘양자키분배(QKD)’ ▲암호키를 만들기 위해 패턴이 없는 난수를 만드는 ‘양자난수생성기(QRNG)’ 등 핵심 기술을 통신망에 적용해 제3자의 정보 탈취를 원천 차단한다.

양자센서는 미세한 크기의 양자를 검출해 이를 전기신호로 바꾸는 기술. 자율주행, 위성, 바이오 등 다양한 첨단 분야에서 미세한 빛(레이저(적외선), 가시광선)을 측정하는 기술에 광범위하게 활용될 수 있다.

양자컴퓨터는 일반컴퓨터가 0 또는 1 가운데 하나만 갖는 비트(bit)로 연산하는 반면, 0과 1을 동시에 갖는 양자 비트(큐비트(Qubit), Quantum bit)를 사용해 초고속 연산 가능. 즉, 하나의 비트로 처리할 수 있는 정보량이 급격히 늘어남. 129자리 자연수를 소인수분해 시, 일반 고성능 컴퓨터는 1600대가 병렬 연산해도 8개월이 소요되지만 양자컴퓨터는 수 시간내 연산 가능하다.

양자는 4가지의 특성을 가지고 있는데, ▲상태 값 0과 1을 동시에 가지고 있는(겹친 상태의) ‘중첩성’ ▲한번 측정되면 0 또는 1로 확정돼 이전 상태(0과 1 동시 공존)를 복제할 수 없는 ‘비가역성’ ▲상태 값 0과 1 모두를 동시에 정확하게 측정할 수 없는 ‘불확정성’ ▲거리에 상관없이 두 양자 간 상관관계가 존재하는 ‘얽힘’ 등이다.

2. 기존 암호통신 vs 양자 암호통신

기존 암호통신과 양자 암호통신은 ‘송신자의 암호화(encryption) → 정보전달 → 수신자의 복호화(decryption)’ 라는 동일한 과정으로 이뤄짐. 즉, 송신자가 정보를 안전장치(암호키)와 섞어서 제3자가 알 수 없는 형태의 암호문을 만들어 전송하면, 수신자가 안전장치(암호키)를 이용해 암호문에서 정보를 복원해 낸다.

즉 두 암호통신의 결정적인 차이점은 송신자와 수신자 사이에서 암호키(Key)를 분배(공급)하는 방식이다. 


기존 암호키 분배(공급) 방식은 ①송신자가 열쇠(암호키)를 금고(공개키)에 넣고 잠궈 수신자에게 보내고 ②수신자가 기존에 가지고 있던 비밀번호로 금고를 열어 열쇠(암호키)를 얻게 됨. 수신자는 이 열쇠로 송신자가 보낸 암호문을 해독한다.

제3자가 중간에서 금고를 탈취한다고 가정하면, 양자컴퓨터의 빠른 소인수분해 연산 능력을 이용해 수신자만 알고 있는 비밀번호를 곧바로 알아낼 수 있음. 이를 통해, 제3자는 금고 안의 열쇠(암호키)를 손에 넣어 송신자가 보낸 암호문을 손쉽게 해독 가능하다.

양자 암호키 분배(공급) 방식은 기존 방식과 달리 송신자와 수신자가 양자를 주고 받으며 같은 열쇠(암호키)를 동시에 생성함. 송신자와 수신자가 각자 가진 QKD(양자키분배) 기기를 통해 양자를 주고 받으며 양자의 특성(불확정성)을 활용해 예측 불가능한 암호키를 만드는 원리이다.

3. 양자암호통신 체계 



QKD(Quantum Key Distribution, 양자키분배)는 양자암호통신의 핵심기술임. 송신자와 수신자 양 끝단에 설치된 암호키분배 기기를 통해 송신자와 수신자가 같은 암호키를 생성해 가지고 있도록 한다.

IDQ는 이미 ‘07년 스위스 제네바 선거에 QKD 솔루션을 적용해 투표를 진행한 바 있음. 당시 제네바 정부 데이터센터와 개표소 사이에서 투표결과를 안전하게 전송했다.

양자암호통신 전용 중계기(Trusted Repeater)는 장거리 양자암호통신을 위해 필수적인 장비임. 양자 신호의 최대 도달거리는 약 80km 이며, 도달거리를 넘어서면 신호가 미약해져 암호키 공급도 불가능해짐. 전용 중계기는 암호키를 생성하고 다음 중계기로 연결함으로써 수천 km까지 양자암호통신을 가능케 한다.

QRNG(Quantum Random Number Generator, 양자난수생성기)는 0이 될지 1이 될지 알 수 없는 양자의 불확정성을 이용해 패턴이 없는 ‘순수 난수(True Random Number)’를 생성함. 공인인증서, OTP 등에 활용되는 기존 난수는 유사 난수로써 실제로는 패턴이 있는 숫자이므로 양자컴퓨터의 해킹 위험성이 있다.

통신망은 물론 각종 IoT 제품에 간편하게 탑재될 수 있도록 초소형으로 개발돼 손쉽게 보안성을 높일 수 있는 강점이 있다.

4. 양자센서

양자센서 분야 핵심 기술은 ▲미세한 크기의 양자를 검출하는 ‘센싱(Sensing)’ 기술 ▲양자 신호의 세기와 빈도를 측정해 시각적으로 분석하는 ‘계측(High Resolution Timing)’ 기술이다.

IDQ 社는 ‘02년 단일 광자 검출기(Single photon detector)를 상용화 했고, 현재 파장이 다른 적외선과 가시광선의 단일 광자(빛 알갱이 하나)를 검출하는 솔루션을 보유 중임. 양자 신호의 측정 시간을 분석하는 계측기(Time Controller)도 자체 개발하는 등 양자센서 분야를 선도하고 있다.


양자센서 기술은 자율주행(라이다), 바이오(정밀의료), 반도체, 위성, OTDR(광시간영역반사측정법, Optical Time Domain Reflectometry) 등 첨단 ICT 분야에 폭넓게 활용 가능하다.

자율주행차의 눈이라 불리는 ‘라이다(Lidar, 레이저 레이더)’는 레이저(적외선)를 주변 사물에 쏘고 반사되어 센서로 돌아오는 시간을 계산해 차량과의 거리를 측정함. 이러한 과정을 통해, 차량은 주변 환경을 3차원으로 인식할 수 있음. 레이저를 민감하게 센싱하는 양자센서 기술을 적용하면 라이다 기술의 정밀도를 한층 끌어올릴 수 있다.

바이오(정밀의료) 분야에선 미세한 세포의 빛을 별도 증폭 과정없이 바로 감지해 분석할 수 있고, 나노(nano) 단위 반도체에 흐르는 극미한 전류(빛)를 감지해 특정 결점없이 생산됐는지 판단 가능한 양자센서 기술은 우주산업 분야에서도 활용 잠재력이 높음. 수천 km의 장거리 위성 통신에서 미약한 양자 신호를 감지하는 센싱 기술이 필수적이다.

광신호를 발사하고 후방에 산란되는 미약한 양자신호를 측정해 특정 공간의 거리를 계산하는 OTDR 기술을 활용하면 유선망 내 어떤 구간이 굴절 또는 훼손되어 있는지 알 수 있음. IDQ 社는 유럽우주국(ESA)이 개발 중인 우주발사체 ‘아리안6호’에 관련 기술을 적용해 발사체 내부의 정밀 부품을 점검하고 있다.





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